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1、第六章 钢桁架,第一节 概 述,第二节 支撑设计,第三节 桁架设计,第一节 概 述,一.桁架及其应用 桁架是指由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架中的杆件大多只承受轴向力，材料性能发挥较好，特别适用于跨度或高度较大的结构。 桁架主要有空间桁架（网架和塔架）、平面桁架（屋架、吊车桁架、水工结构中的钢栈桥、钢桁架引桥、钢闸门中的桁架等）。,空间塔架,为运输材料、设备、人员而修建的临时桥梁设施，按采用的材料分为木栈桥和钢栈桥。,钢栈桥：,目前世界上最长的施工栈桥宁波杭州湾跨海大桥南岸施工栈桥，全长9444米，共633跨，是海上主桥施工物资供应及交通出入的唯一通道，也是整座跨海大桥
2、施工的基础性工程和控制性工程。,本章主要介绍平面简支桁架的设计。 二.平面桁架的外形和腹杆体系 影响桁架外形选择的因素： 1.满足使用要求； 2.受力合理 ； 3.便于制做和安装 ； 4.综合经济技术效果好。,常用平面桁架的外形及腹杆形式,桁架应具有适当的中部高度H 和端部高度H0（三角形桁架端部高度为零）。H 取决于运输界限（铁路运输为3.85m）和建筑高度要求的最大限值Hmax、刚度要求的最小限值Hmin以及使弦杆和腹杆总用钢量最少的经济高度Hec。简支梯形和平行弦桁架，通常H（1/51/10）L ,简支梯形钢桁架对端部高度H0无特殊要求； 当梯形钢桁架与柱刚接时，桁架端部有负弯矩，要求H
3、0（1/91/18）L ，钢屋架中常用H0（1.82.2）m。,第二节 支撑设计,一、桁架支撑的作用 平面桁架在其自身平面内具有较大的刚度，但在垂直于桁 架平面方向（桁架平面外）不能保持其几何不变，即使桁 架上弦与檩条或屋面等铰接相连桁架仍会侧向倾倒（如图 7-4（(a)中虚线所示）。为了防止桁架侧向倾倒破坏和改 善桁架工作性能，对于平面桁架体系，必须设置支撑系统。,桁架支撑的主要作用？ （1）保证桁架结构的空间几何稳定性，即形状不变。 （2）保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。桁架上弦 和下弦的水平支撑与桁架弦杆组成水平桁架，桁架端部 和中部的垂直支撑则与桁架竖杆组成垂直桁架，无论竖 向荷载
4、还是纵、横向水平荷载，都能通过一定的桁架体 系把力传向支座，桁架结构有足够的刚度和整体性。 （3）为桁架弦杆提供侧向支承点。水平和垂直支撑作为 桁架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在桁架平面外的计算 长度，提高其整体稳定承载力。 （4）承受并传递水平荷载。 （5）支撑作用，保证结构安装时的可靠性，且便于安装。,二、桁架支撑的种类和布置,1.上弦横向水平支撑 布置原则：上弦横向水平支撑应设置在房屋的两端，一般设在第一个柱间或设在第二个柱间。横向水平支撑的间距L0不宜超过60m。当温度区段长度超过60m时，还应在温度区段中部布置一道或几道横向水平支撑。 布置位置：位于相邻两榀桁架上弦杆之间的横向水（斜）
5、平面内。,二、桁架支撑的种类和布置,2. 下弦横向水平支撑 布置原则：一般情况均应设置下弦横向水平支撑。只有当桁架跨度比较小（L18m），且没有悬挂式吊车，或虽有悬挂吊车但起重吨位不大，厂房内也无较大的振动设备时，可不设下弦横向水平支撑。 布置位置：与上弦横向水平支撑布置在同一柱间，以形成空间稳定体。,3. 纵向水平支撑 布置原则：当房屋内设有托架，或有较大吨位的重级、 中级工作制的桥式吊车，或有壁行吊车，或有锻锤等大 型振动设备，以及房屋较高、跨度较大，空间刚度要求 较高时，均应布置纵向水平支撑。 布置位置：在屋架下弦（三角形屋架可在下弦或上弦） 端节间沿厂房纵向水平面内布置。,二、桁架支撑
6、的种类和布置,4.垂直支撑 布置原则：所有厂房中均应设置垂直支撑。 沿厂房纵向，屋架的垂直支撑与上、下弦横向水平支 撑布置在同一柱间。 布置位置： 相邻两榀屋架之间的梁端纵向垂直平面内。 梯形屋架在跨度L30m、三角形屋架在跨度L24m 时，仅在屋架跨度中央设置一道垂直支撑，当屋架跨 度大于上述数值时，宜在跨度1/3处、天窗架侧柱处设 置两道。 对于梯形屋架，在屋架两端还应各设置一道 垂直支撑。,二、桁架支撑的种类和布置,系杆 系杆的作用：对于不设横向支撑的其它屋架，屋架上、 下弦的侧向稳定性则由与横向支撑节点相连的系杆来保 证。 系杆的类型：能承受压力和拉力的系杆称为刚性系杆； 只能承受拉力
7、的系杆叫柔性系杆。其长细比分别按压杆 和拉杆控制。 布置原则：在垂直支撑的平面内一般应设置上、下弦系 杆；屋脊节点及主要节点处需设置刚性系杆，天窗侧柱 处及下弦跨中附近设置柔性系杆；当屋架横向支撑设在 厂房端部第二柱间时，则第一柱间的所有系杆均布置为 刚性系杆，以传递山墙所承受的部分风压力等。,二、桁架支撑的种类和布置,三、桁架支撑的计算 1.计算原则 除系杆外各种桁架支撑均是垂直于屋架平面的平面桁架，由设置的支撑杆件和屋架的弦杆或竖杆组成。 当支撑桁架受力较小时，可不做内力计算，杆件截面按容许长细比选择；交叉斜杆和柔性系杆按拉杆设计，可用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆及刚性系杆按压杆设计，可
8、用双角钢组成T形或十字形截面。 当支撑桁架受力较大时，需按平面桁架体系计算支撑桁架的杆件内力，进行杆件截面设计。,三、桁架支撑的计算,2.内力计算 有交叉斜腹杆的支撑桁架是超静定体系，但因受力较小，一般可按下述简化方法计算：即只考虑受拉腹杆按柔性方案参与工作。 如图中用虚线表示的一组斜腹杆因受压而退出工作，此时，桁架按单斜杆静定体系计算；当荷载反向作用时，则认为另一组斜腹杆退出工作。,第三节 桁架设计 一、桁架的内力计算 作用荷载 桁架上的作用荷载包括永久荷载和可变荷载两 类，计算桁架内力时，应考虑荷载分项系数、荷载组 合系数，并按最不利荷载组合情况计算桁架杆件内力。 2. 桁架计算简图 按铰
9、接平面桁架计算简图进行内力计算。,一、桁架的内力计算 3. 内力计算,简化计算方法如图所示。 M1=0.8M0 M2=0.6M0 M0为相应节间按简支梁计算的最大弯矩。,首先把桁架上的作用荷载等效地转换到桁架节点上得节点荷载，然后可按结构力学中的数解法、图解法或平面桁架有限元程序计算铰接平面桁架杆件的轴力。 待求得节点荷载作用下各杆件的轴力后，对有节间荷载的弦杆，再按刚接桁架计算该类杆件的正负弯矩值 。简化计算方法如图所示。,二、桁架杆件的计算长度 （一）桁架平面内的计算长度Lx 桁架平面内的计算长度根据杆件的节间长度和两端约束情况确定： 1.上下弦杆：LX=L（节间长度） 2.腹 杆：支座处
10、竖腹杆和斜腹杆LX=L （节间长度） 中部其它腹杆LX=0.8L （L为节间长度） 3、交叉腹杆：LX=节点中心至 交叉点间的距离,二、桁架杆件的计算长度 （二）桁架平面外的计算长度LY 桁架平面外的计算长度LY应取侧向支撑点间的距离： 1.上下弦杆：LY=L1（L1为侧向支点间的距离） 2.腹 杆：LY=L（节间长度） 3、交叉腹杆：交叉腹杆在桁架平面外计算长度的确定与杆件受拉和受压有关，也与杆件在交叉点处的断开情况有关，具体计算参见教材的相关规定。 受压弦杆的侧向支撑点间距时常为节间长度的2倍（图7-13（a），而弦杆两节间的轴心压力可能不相等，当用较大的轴力验算弦杆平面外稳定时，如果计算
11、长度仍用L1显然过于保守。,二、桁架杆件的计算长度 （二）桁架平面外的计算长度LY 此时应按下式确定平面外的计算长度： 计算时压力取正号，拉力取负号。 再分式腹杆的受压主斜杆在桁架平面外的计算长度（图7-13b），也按上式计算。在桁架平面内的计算长度则取节点间的距离。对于再分式受拉主斜杆在桁架平面外的计算长度仍取L1 。,二、桁架杆件的计算长度 （三）斜平面的计算长度La 对于单角钢或双角钢组成的十字形截面腹杆，受压杆件将绕截面最小回转半径的轴整体失稳。该方向相对于桁架平面为一斜平面。绕该轴的计算长度取为 La=0.9 L L为节间长度。,三、桁架杆件截面形式的选择 基本原则：桁架杆件的截面形
12、式应根据用料经济、连接构造简单和具有足够刚度等要求综合确定。 （1）对于轴心受力的腹杆，应考虑两方向（绕X轴、Y轴）的等稳定性要求。 （2）对于上弦杆，当为轴心压杆时，应考虑等稳定性要求；当为压弯构件时，应适当加大弯矩作用方向的截面高度。,三、桁架杆件截面形式的选择 （3）对于下弦杆，作为平面桁架的外框，应适当加大杆件在桁架平面外的刚度。普通桁架的杆件截面常采用角钢组合成的T形、十字形或单角钢截面。重型桁架常采用H型钢、箱形截面或两槽钢组合截面。,角钢组合 截面形式,四、桁架杆件截面设计 桁架的杆件一般为轴心受力构件，当桁架弦杆作用有节间荷载时，则弦杆为压弯（上弦）或拉弯（下弦）构件。 普通钢
13、桁架杆件截面设计时尚需注意下列问题： （1）宜优先选用肢宽壁薄的截面，使杆件在相同用钢量的情况下截面具有较大的回转半径和惯性矩。 （2）为减少拼接的设置，桁架弦杆的截面宜根据弦杆的最大内力来选择，对于跨度不大的桁架宜采用等截面弦杆。,四、桁架杆件截面设计 （3）对于桁架的杆件，应根据杆件在桁架平面内、外的计算长度不同，选择不同形式的双角钢组合截面，尽量做到xy。 （4）当桁架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连时，则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字形截面，以使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小。 （5）为了便于备料，整榀桁架所用的角钢规格不宜超过710种。 （6）需用C级螺栓与支撑杆件相连接的桁架杆件角钢
14、的边长，应注意其所能采用的螺栓最大直径。,五、桁架的节点设计 钢桁架一般在节点处设置节点板，交汇于节点的各杆件都与节点板相连接，形成桁架的节点，各杆件把力传给节点板并相互平衡。一般杆件（腹杆和端部弦杆）把杆件全部内力N传给节点板，而在节点处连续的杆件（如中部区域弦杆）则把节点两侧的内力差N传给节点板。当节点上作用有荷载P时，则传给节点板的力为N或N与P。有局部弯矩的杆件则还要传递弯矩和剪力。,杆件与节点板的连接通常采用焊接。对于输电线路塔架和一些需拆卸的桁架以及安装连接时也常采用C级螺栓。高强度螺栓连接在重型桁架中应用较多，可在工地现场进行拼装。,本节主要介绍双角钢杆件组成的普通桁架的节点设计
15、。 (一)节点板的厚度 钢桁架各杆件在节点处都与节点板相连接，传递内力并相互 平衡。节点板中的应力分布非常复杂，确定节点板厚度的主要依 据是各节点处每根杆件传给节点板的内力。因为整榀桁架的节点 板厚度相同，故应以桁架的最大腹杆内力Nmax（对三角形桁架取弦 杆端节间内力）来确定全桁架的节点板厚度。,杆件的填板：双角钢T形或十字形是组合截面，为保证两个角钢能整体共同受力，应每隔一定间距在两角钢间放置填板（缀板），如图所示，填板中距Ld分别为： 压杆：Ld40i1 拉杆：Ld80i1。,（二）节点设计的基本要求 1.各杆件的形心线理论上应与桁架的杆件轴线重合，以免出现偏心受力而引起附加弯矩。但为了
16、方便制造，通常将角钢肢背至杆件轴线的距离取为5mm的整数倍，所取数值应使轴线与杆件的形心线间距最小，作为角钢的定位尺寸。当弦杆截面有改变，为方便拼接和安放屋面构件，应使角钢的肢背齐平；此时应取两形心线的中线作为弦杆的共同轴线（下图所示），以减小两个角钢的形心线错开而产生的偏心影响。,（二）节点设计的基本要求 2.节点处各杆件边缘间应留一定间隙C（下图所示），以便于拼接和施焊，并避免焊缝过于密集而使钢材焊接过热变脆。一般取c20mm；对直接承受动力荷载的焊接桁架，腹杆与弦杆之间的间隙取c40mm。但在桁架图中一般不直接表明各处c值，而是注明各切断杆件的端距以控制有足够的间隙c。,3.角钢的切断面一般应与其轴线垂直，为使节点紧凑需要斜切时，只能切肢尖（左图 (a)）。节点板的形状和尺寸在绘制桁架施工图时决定。节点板的形状应简单，如采用矩形、梯形（左图C）等凸多边形。 4.一般腹杆和端节间弦杆需将其全部内力传给节点板，节点板外边缘与杆件边线间的扩大角宜1：41：3（15。 20。，右图(b)），
